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Formen der Ringe von Molekülen – Verwenden der Biokatalyse zur Kontrolle der Formen von Makrocyclen

Makrocyclus im Enzym

Modell des chiralen Makrocyclus (blau dargestellt) in der katalytischen Tasche des Enzyms CALB (grau dargestellt, katalytisches Serin 105 grün gefärbt) [PDB ID 5GV5]). Die Abbildung wurde mit dem PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.2r3pre, Schrödinger, LLC erstellt. Das Andocken der Makrocyclen wurde mit dem Programm Fitted von der Rechenplattform Forecaster durchgeführt. Bildnachweis: Université de Montréal

Makrocyclen sind Moleküle aus großen Atomringen. Obwohl die Moleküle relativ groß und flexibel sind, bleiben sie nicht immer “floppy” – sie können sich tatsächlich in bestimmte Formen und Geometrien einschließen.

Bei der Herstellung ist die Steuerung der dreidimensionalen Formen von Makrocyclen von entscheidender Bedeutung. Es hilft beispielsweise bei der Entscheidung, ob das Aroma in einem Parfüm einzigartig ist oder ob ein verschreibungspflichtiges Medikament bei einer bestimmten Krankheit wirkt.

Für Synthesechemiker, die die Konstruktion von Molekülen untersuchen, war die Kontrolle der Topologie der großen Ringe jedoch kein einfacher Prozess – bis jetzt dank der Forschung an der Université de Montréal.

In einer am 21. Februar 2020 veröffentlichten Studie in WissenschaftEin Team unter der Leitung von Chemieprofessor Shawn Collins berichtet, dass es gelungen ist, einen natürlichen Prozess namens Biokatalyse zur Kontrolle der Formen von Makrocyclen einzusetzen.

Und das könnte ein Segen für die Herstellung von Pharmazeutika und Elektronik sein, heißt es.

“Die Formen der Makrocyclen, die wir hergestellt haben, machen sie zu etwas Besonderem – sie nennen wir planar chiral”, sagte Collins. „Und die planare chirale Topologie steuert, wie die Moleküle mit der Natur interagieren. Makrocyclen mit planarer Chiralität sind im Allgemeinen unterforscht, da Chemiker normalerweise große Probleme haben, sie herzustellen. “

Bisher hatten sie zwei Möglichkeiten: Mehrstufige Synthesen durchzuführen, die langwierig und verschwenderisch sind, oder sie könnten Methoden nutzen, die Katalysatoren verwenden, die auf Elementen basieren, die in der Erdkruste giftig, teuer und nicht reichlich vorhanden sind, wie Ruthenium und Rhodium.

Beide Ansätze haben Chemiker lange Zeit frustriert, und Collins ‘Team suchte nach einer Alternative. Sie fanden es in der Biokatalyse, einem Verfahren, bei dem Enzyme, biologische und typischerweise ungiftige Katalysatoren, als Lösung zur Herstellung planarer chiraler Makrocyclen verwendet werden.

Bemerkenswerterweise stellte sich heraus, dass es ein im Handel erhältliches Produkt gab, das den Makrocyclus herstellen konnte, obwohl Chemiker die Biokatalyse für die Synthese planarer chiraler Makrocyclen noch nie zuvor untersucht hatten: ein Lipaseenzym namens CALB.

Mit ihm konnten die Biokatalysatoren die Makrocyclen in oft nahezu perfekter Selektivität formen, obwohl sich das Enzym zu diesem Zweck nicht entwickelt hatte.

Wichtig ist, dass Collins und sein Team einen Syntheseplan ausgearbeitet haben, bei dem einfache molekulare Bausteine ​​verwendet wurden, um Makrocyclen mit Funktionalität zu „dekorieren“. “Funktionalität sind Griffe oder einfache Gruppen von Atomen, die leicht in komplexere Anordnungen umgewandelt werden können”, erklärte Collins.

„Wir hoffen, dass die Makrocyclen jetzt auf die Auswirkungen der Industrie zugeschnitten werden können. Es ist bereits bekannt, dass planare chirale Makrocyclen als Antibiotika und Antikrebsmittel wirken. Anwendungen in elektronischen Materialien – beispielsweise in Lasern und Anzeigegeräten – könnten mit diesem Ansatz möglich sein. “

Referenz: „Biokatalytische Synthese planarer chiraler Makrocyclen“ von Christina Gagnon, Éric Godin, Clémentine Minozzi, Johann Sosoe, Corentin Pochet und Shawn K. Collins, 21. Februar 2020, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.aaz7381